带反射腔的分布式电阻加载探地雷达天线设计与分析

吴秉横　纪奕才　方广有

①（上海海事大学 上海 200135）

②（中国科学院电子学研究所电磁辐射与探测技术重点实验室 北京 100190）

带反射腔的分布式电阻加载探地雷达天线设计与分析

吴秉横*①②纪奕才②方广有②

①（上海海事大学 上海 200135）

②（中国科学院电子学研究所电磁辐射与探测技术重点实验室 北京 100190）

该文研究了一种半椭圆结构分布式加载偶极子天线。通过改进天线臂结构以及采用分布式电阻加载，有效降低电流在天线末端的反射，能够改进天线的输入阻抗特性，展宽天线的工作频带。应用长方体金属反射腔，减小了天线的后向辐射，增强了天线的地下穿透能力。利用电磁计算软件对天线进行了仿真和设计，并加工制作了一部样机，测试了样机的反射损耗和辐射特性等性能参数，测试与仿真结果较为贴合。将该天线应用于探地雷达系统进行地下目标探测实验，实验结果证明该天线满足探地雷达系统的需要。

探地雷达；超宽带天线；分布电阻加载；辐射特性

1　引言

采用无载波脉冲作为发射信号的探地雷达（Ground Penetrating Radar，GPR）具有可实现非破坏性探测的特点，目前已受到国内外交通、勘探等领域研究单位的关注。随着近几年的长足发展，目前已广泛应用于深层和浅层地下目标的探测［1］，主要的应用邻域包括桥梁、公路、隧道以及矿井的无损探测、地质勘探和研究以及地下管道等各种非金属和金属目标的探测、定位、成像等。

作为探地雷达系统中极为关键的一个组成部分，天线的性能直接影响着整个系统的探测能力［2］。基于无载波脉冲体制的探地雷达系统要求天线除了具有良好的对地辐射性能以外，还应具有良好的信号保形性，即要求天线具有极大的瞬时带宽。目前可以满足探地雷达使用要求的主要包括蝶形天线［3-6］，TEM喇叭天线及其变形［7-10］以及螺旋天线［11］等几类超宽带天线。其中，蝶形天线通常采用平面的结构，制作方法相对简单，因此应用更为广泛。但是目前普遍应用的末端加载蝶形天线由于加载点仅在天线末端，并不能完全吸收天线的末端电流，从而造成辐射信号中有一些微小的振荡，这些振荡会干扰一些较弱的地下目标回波信号，影响系统的工作性能。

对于超宽带天线结构的研究，除去蝶形结构，一些诸如圆形、纺锤形、树叶形、平面螺旋等结构的偶极子天线［12-15］也被广泛研究。本文提出了一种带反射腔的半椭圆结构分布式电阻加载偶极子天线，通过改进传统蝶形天线的天线臂结构以及采用分布电阻加载，有效地减小了天线末端电流的反射，天线的输入阻抗特性得到进一步改善，具备优异的工作带宽。

2　带反射腔的分布电阻加载天线的设计

基于无载波脉冲体制的探地雷达产生的窄脉冲信号具有很宽的频谱成分，通过傅里叶变换分析可以得出，对于底宽为2 ns的高斯脉冲，信号的主要能量集中在250～750 MHz，其频谱特性决定了适合该信号收发的超宽带天线应以500 MHz为中心频率，并覆盖500 MHz的工作频带。

2.1天线臂结构的改进

前人通过研究天线上的脉冲电压和电流的传播过程和等效电路，指出如果从天线的馈电点沿着电流方向逐渐增加天线臂的宽度，在一定程度上就可实现展宽工作频带的效果［16］。典型的例子为双锥天线或者其平面形式的蝶形天线。

本文为了改进天线的输入阻抗特性，对天线臂结构进行了改进。在蝶形天线的基础上，不改变的天线尺寸，采用了半椭圆的天线臂结构，如图1所示两种天线的平面结构图。分别对未施加电阻加载的半椭圆天线和蝶形天线进行了仿真分析。图2同时给出了半椭圆天线和蝶形天线的输入阻抗。

从图中可以看出，半椭圆天线的输入阻抗实部变化更加平坦，实部主要集中在 100 Ω左右，同时虚部值较小且变化平滑。相比之下，蝶形天线的输入阻抗无论是实部还是虚部变化范围都偏大，同时还具有较高的谐振频点。由此分析可以推断，采用半椭圆天线不仅可以缩小天线的尺寸，还有利于与传输线的匹配，更适合探地雷达系统的需求。

2.2电阻加载的设计

图1　蝶形天线和半椭圆天线的平面结构Fig. 1　Plane structure of bow-tie antenna and half-ellipse antenna

对天线进行阻抗加载可以有效抑制因天线电流在末端的多次反射而引起的辐射波形的振荡，从而使天线获得更好的波形保形性和更宽的工作带宽。目前广泛应用的加载方式有末端加载和连续加载两种。采用末端加载由于其加载点少、加载位置远离馈电点等原因可以获得更大的辐射脉冲幅度，但是这种加载方式并不能完全吸收天线的末端电流，造成辐射信号中存在较强的振荡拖尾。这些振荡会掩盖一些比较微弱的地下目标回波信号，影响系统的工作性能。采用分布式连续加载方式可以更高效地抑制因天线末端反射电流造成的波形振荡。实际工程中通常应用不均匀电阻加载是Wu-King加载［17］方式的离散化改进。这种加载方式从天线馈电点起，始端加载轻电阻小，尾端加载重电阻大，由于大部分能量都是在天线前部产生，因此对辐射信号幅度的影响不大。本文所研究的分布电阻加载结构如图1所示。

天线臂上电阻的加载公式为：

其中，ψ为末端加载电阻的阻值，l为相邻电阻加载点之间的间隔，L为单个天线臂的长度，xi为加载点的位置。在设计中，依据式（1）得出的结果还需通过仿真进一步优化改进得到最优的结果。

图3分别给出了本文设计的分布式加载天线和末端加载天线正下方5 m处的时域辐射波形。为了更好地分析两种天线的不同，将时域波形进行了归一化处理。从图中可以看出，分布式加载天线的时域波形的振荡系数［18］γ=0.35，而末端加载天线振荡系数γ=0.7，且可以明显地看出存在振荡拖尾，而分布式加载天线具有更好地时域辐射特性。因此，尽管分布式加载天线相对末端加载天线的增益相对偏低，但是其具有较低的振荡拖尾，有助于地下目标的识别和成像。对于发射机产生脉冲幅度较高的探地雷达系统来说，适宜采用分布式加载形式的天线。

2.3天线的结构

天线的俯视图如图4（a）所示。天线的振子由一对半椭圆组成，通过优化确定椭圆的具体尺寸L=170 nm，W=120 nm，中心馈电点之间的距离d=4 mm。天线的末端连接两个宽20 mm的金属带，该金属带用于反射腔的安装。整副天线印制在380 mm×150 mm的覆铜板上，覆铜板的基底是介电常数εr=4.9的FR-4材料。在天线上有若干条缝隙，通过在这些缝隙上焊接贴片电阻来实现天线的分布式加载。在天线的上方放置一个形状为长方体的金属反射腔，用来提高天线辐射的方向性，同时可以屏蔽外界信号对天线的干扰。该反射腔与图1（a）中的两条矩形金属带连接。根据镜像原理，反射腔的高度为中心频率对应波长的四分之一［12］，即h=75 mm，如图4（b）所示。

3　实验和仿真结果分析

图2　半椭圆天线和蝶形天线的输入阻抗Fig. 2　The input impedance of bow-tie antenna and half-ellipse antenna

图3　末端加载和分布式加载天线的时域波形Fig. 3　Transient waveforms of bottom loading and distributed loading antennas

图4　天线的结构图Fig. 4　Structure of the antenna

在基于时域有限积分（Finite Integration Time Domain method，FITD）理论的3维电磁仿真软件中，对天线进行了理论建模和仿真分析，同时根据仿真结果加工制作了一套天线样机，并在微波暗室中对天线的输入阻抗、反射损耗特性、辐射特性进行了测试，并将实测结果与理论仿真结果进行了对比分析和研究。

3.1天线的输入阻抗和反射损耗特性分析

天线的输入阻抗通过仿真计算得出，如图5所示。从图中可以看出，天线的输入电阻在100～175 Ω之间变化，输入电抗绝对值小于100 Ω，因此天线可采用较为常见的特性阻抗为100 Ω的馈线进行平衡馈电。在实验中采用了CPW-CPS宽带50～100 Ω阻抗变换巴伦［19］，50 Ω端为不平衡的共面波导结构，连接同轴馈电线；100 Ω端为平衡的双线结构，连接天线馈电点。整个巴伦在厚度为1 mm、介电常数εr=4.4的介质板上按照印刷电路加工形式制作而成，尺寸为42 mm×20 mm。

图6给出了天线的反射损耗S11，并且将实验结果与仿真结果进行了比较，从图中可以看出，天线在250～750 MHz均能保证反射损耗小于-10 dB，即电压驻波比小于2，具有良好的宽带匹配特性，满足系统的使用要求。实验结果与仿真结果的误差主要源于制作的误差以及实验中宽带巴伦的引入。

3.2天线的辐射特性分析

工程应用中，希望天线具有一定的方向性，可以使更多的能量向地下辐射，因此往往使用金属反射腔提高天线的方向性，同时也可以一定程度上屏蔽来自天空的干扰信号。图7和图8分别给出了天线在250 MHz，500 MHz和750 MHz的E面和H面归一化辐射方向图，图中仿真值与测量值的差异主要是源于测量过程中周边目标的反射。从图中的结果可知，天线在E面（XOZ面）具有一定的方向性，在H面（YOZ面）具有较宽的方向性，因而收发天线沿H面移动有利于目标的检测和成像。由于在仿真时考虑了天线安装载体的影响，因此天线的H面方向图并没有左右完全对称，仿真和测试结果均说明了安装载体对天线方向图的影响。

图5　天线的输入阻抗Fig. 5　Antenna input impedance

图6　天线的反射损耗Fig. 6　Antenna return loss

图7　天线的E面辐射方向图（XOZ面）Fig. 7　Antenna E-plane radiation pattern（XOZ plane）

探地雷达要求天线具有良好的时域特性，即信号保真性。为了评估天线的时域辐射特性，采用脉宽为2 ns的窄脉冲激励天线，利用仿真软件计算了天线正下方的辐射信号波形，同时进行实验测试了天线正下方的信号波形。应用矢量网络分析仪测试天线对地穿透特性和时域波形的方法原理图如图9所示。矢量网络分析仪的两个端口分别连接天线和埋入地下0.5 m的一个电磁探针，通过读取矢量网络分析仪显示的S21参数，并将其进行傅里叶逆变换转换为时域信号，便可以获取天线对地穿透的时域波形，同时根据时域波形评估穿透性能。

将时域信号波形除以信号的最大值，得到仿真和实验的归一化信号电压，如图10所示。由于实验时发射机发出的激励脉冲相对仿真中采用的理想高斯脉冲有一定的失真，因此仿真和实验结果的辐射信号波形并没有完全一致，但是从图中可以看出，在分布电阻加载对天线上反射电流的吸收作用下，实验和仿真结果都显示出天线下方的辐射信号拖尾很小，振荡衰减很快，具有很好的信号保真性。

图8　天线的H面辐射方向图（YOZ面）Fig. 8　Antenna H-plane radiation pattern（YOZ plane）

图9　天线时域辐射测试原理图Fig. 9　Antenna transient radiation measurement scheme

图10　天线的时域辐射波形Fig. 10　Antenna transient radiation waveform

3.3天线在探地雷达系统中的实验

为了验证天线在探地雷达系统中的使用效果，将本文天线连接已有的探地雷达系统对地下管道进行成像实验。天线结构图和样机实验状态如图11所示，实验时将收发天线、脉冲源和接收机集成在一起，收发天线前后放置并紧贴地面，沿垂直于地下管道的方向缓慢运动，同时可以根据需要调整辐射信号的重复频率和接收信号的采样间隔。图12给出了雷达接收到的地下目标回波信号的2维图，其中横坐标为雷达所在的位置，纵坐标为目标的距离，用灰度表示回波信号的幅度。图中的成像结果说明，在距离地面大约0.5 m的位置有两个很强的反射体并排放置，且高低稍有不同，为两根并排放置粗细不同的管道，如图中黑色椭圆框所标的部分。

图11　探地雷达实验状态图Fig. 11　GPR experiment condition

图12　实验回波数据的剖面图Fig. 12　B-scan of experiment receiving data

4　结论

本文通过改进传统蝶形天线的天线臂结构以及采用分布电阻加载，设计了一种带反射腔的半椭圆结构的分布式电阻加载偶极子天线，对该天线的阻抗特性、反射损耗特性以及辐射特性进行了仿真和测试，并且将天线应用于探地雷达系统进行了成像实验。仿真、测量和实验结果证明，该天线具有良好的阻抗匹配特性、辐射特性和信号保形性，满足探地雷达系统的使用要求。

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吴秉横（1982-），男，河北人，2010年于中国科学院电子学研究所获工学博士学位，上海海事大学讲师，主要研究方向为超宽带天线技术和应用。

E-mail: bhwu@shmtu.edu.cn

纪奕才（1974-），男，山东人，中国科学院电子学研究所研究员，主要研究方向为超宽带雷达、超宽带天线、电磁场数值计算、电磁兼容。

E-mail: ycji@mail.ie.ac.cn

方广有（1963-），男，河南人，中国科学院电子学研究所研究员，博士生导师，主要研究方向为超宽带雷达成像理论与技术、探地雷达技术、地球物理电磁勘探技术、月球/火星探测雷达技术、超宽带天线理论与技术、THz成像技术等方面的研究工作。

E-mail: gyfang@mail.ie.ac.cn

Design and Analysis of the Distributed Resistor-loading GPR Antenna with Reflected Cavity

Wu Bing-heng①②Ji Yi-cai②Fang Guang-you②

①（Shanghai Maritime University，Shanghai 200135，China）
②（Key Laboratory of Electromagnetic Radiation and Sensing Technology，Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

In this study，we investigated the use of a half-ellipse dipole with distributed resistor-loading. By improving the structure of the antenna arms and using distributed resistor-loading technology，the current reflection at the end of dipole is significantly reduced，the input impedance is improved，and the operation bandwidth is widened. We decreased the backward radiation of the antenna with a cubic metal-reflective cavity and also improved the ground penetration ability. The proposed antenna was simulated and designed with electromagnetic computing software； on the basis of the design results，we fabricated the antenna sample. Measurement results of the return loss and radiation characteristics of the proposed antenna confirm the validity of the simulation. We applied the proposed antenna in a GPR system as an underground target detection experiment； on the basis of the experimental results，we conclude that the antenna is able to meet the needs of GPR systems.

Ground Penetrating Radar （GPR）； Ultra-WideBand （UWB）antennas； Distributed resistor-loading；Radiation characteristic

The Key Research Program of the Chinese Academy of Sciences （KGZW-EW-603）

TN957.2

A

2095-283X（2015）-05-0538-07 DOI：10.12000/JR15070

吴秉横，纪奕才，方广有. 带反射腔的分布式电阻加载探地雷达天线设计与分析［J］. 雷达学报，2015，4（5）: 538-544.

10.12000/JR15070.

Reference format：Wu Bing-heng，Ji Yi-cai，and Fang Guang-you. Design and analysis of the distributed resistor-loading GPR antenna with reflected cavity［J］. Journal of Radars，2015，4（5）: 538-544. DOI: 10.12000/JR15070.

2015-06-03；改回日期：2015-07-10；

2015-07-30

吴秉横bhwu@shmtu.edu.cn

中国科学院重点部署项目（KGZW-EW-603）